EP0799365B1 - Pendelkolbenmotor und pendelkolbenkompressor - Google Patents

Description

Der vorliegende Pendelkolbenmotor ist das Resultat einer jahrzehntelangen, teilweise mit der ETH Zürich durchgeführten Forschung und Entwicklung in Theorie und Praxis. Ihr Ziel war, bezüglich Einfachheit, Kompaktheit, Gewicht, Baukosten, Laufruhe, Elastizität, Verbrauch, Schadstoffgehalt, Wartung und Recycling entscheidende Vorteile zu erreichen. Anwendungen in jeglicher Größe und Anordnung erscheinen überall sinnvoll, bei Land-, Wasser- und Luftfahrzeugen sogar unerläßlich, um deren notwendige Verkleinerung und Vereinfachung überhaupt erst zu ermöglichen.

Die neuen Erfindungen gehen aus den Patentansprüchen hervor, und weitere mit ihnen zusammenhängende Merkmale und Vorteile sind anhand der vereinfachten Zeichnung als Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 und 2 einen Versuchsmotor mit Varianten im Aufriß und Seitenriß,

Fig. 3 weitere Varianten von Fig. 1 in anderer Kolbenstellung im Ausschnitt,

Fig. 4 A bis C vergrößerte Stirndichtleisten im Aufriß,

Fig. 5 einen Ausschnitt des Pendelkolbens im Grundriß/Schnitt,

Fig. 6 eine Variante von Fig. 2 mit Gleitlagern im Ausschnitt,

Fig. 7 und 8 das Gehäuse eines Mehrzylinder-Fahrzeugmotors (und Kompressors),

Fig. 9 eine Magerkonzept-Variante des Zylinderkopfs von Fig. 7, und

Fig. 10 den Bug eines Kleinautos im Aufriß/Schnitt mit Motor gemäß Fig. 7/9 in starker Verkleinerung.

Bei Zweitaktmotoren sind lange, schmale Rechteck-Pendelkolben optimal; sie ermöglichen breite, niedrige Gaswechselschlitze (Fig. 7) und kurze, steife Kurbelwellen (Fig. 2 und 6). Beidseitige Quetschzonen (Fig. 9) führen dennoch zu einem kompakten, konventionellen Brennraum. Andererseits bieten die langen Pendelkolben wohl erstmals die Möglichkeit, das zusätzliche Abbremsen des aufsteigenden Kolbens, das durch die notwendige Voreinspritzung/Vorzündung und Verbrennung vor dem oberen Totpunkt auftritt, zu vermeiden. Dazu kurz einige Erläuterungen:

Gemäß Patentanspruch 1 liegt der Kolbenboden 1 auf einem Kreiszylinder mit Achse 2 des Pleuellagers 3, und die Zylinderkopf-Innenwand 4 liegt wenigstens sektoriell auf einem Kreiszylinder mit Achse 5 des Kurbelwellenlagers 6 (Fig. 1 bis 3). Damit bildet die Wand 4 die Hüllfläche des bewegten Kolbenbodens 1, wobei folgende Punkte von Bedeutung sind: Der vorlaufende seitliche Umkehrpunkt 7 der Kolbenbewegung, der Dichtpunkt 8 (Fig. 3), der obere Totpunkt 9 (Umkehrpunkt am Ende des Kolbenhubes), der Umschaltpunkt 10 und der nachlaufende seitliche Umkehrpunkt 11 (spiegelsymmetrisch zu 7). Zwei dieser Punkte erscheinen auch auf dem Kurbelkreis 12 als 8' und 9'. Eine z.B. kugel- oder ellipsoidförmige Brennkammer 13 des Zylinderkopfs 14 weist z.B. eine Einspritzdüse und eine Glüh- oder Zündkerze 15 in V-Anordnung sowie einen breiten Kanal 16 zum rechteckigen, eingewölbten Zylinder 17 auf. Dank einer Dichtung (z.B. Rußablagerung) zwischen Kolbenboden 1 und Kopfwand 4 im Bereich Dichtpunkt 8 (Fig. 3) bis OT 9 kann ein Abbremsen des gesamthaft noch aufsteigenden, aber rechts bereits absinkenden Kolbenbodens 1 durch die Verbrennungsgase nicht (mehr) erfolgen. Im Gegenteil werden sogar ab Dichtpunkt 8 (hier bei 345° Kurbelwinkel) Antriebskräfte auf die Kurbelwelle ausgeübt, denen allerdings Gegenkräfte aus der Weiterverdichtung der Ansaugluft entgegenwirken. Weitere Einzelheiten dazu sind unter Fig. 3 und 7 dargelegt.

Zur Auslegung und Konstruktion von Pendelkolbenmotoren wird auf frühere Veröffentlichungen des gleichen Anmelders hingewiesen (US-A-3 695 150). Die nachfolgenden Ergänzungen mögen daher zum Verständnis ausreichen.

Der nach oben gewölbte Kolbenboden 1 schafft Platz für wohl-dimensionierte, dauerhafte Kolbenfedern anstelle der doppelten Blattfedern 21 gemäß Fig. 1 links. Durchgehende Dichtfedern 22 (Fig. 1, 2 und 5) sichern dauernde Anlage der Stirndichtungen 23, während etwa gleichlange, aber z.B. an einer Kolbenrippe 24 axial fixierte Führungsfedern 25 den Pendelkolben zwischen den eingewölbten Zylinderwänden 26 stirnseitig schwebend führen ("Schwebekolben"). Die Seitendichtungen 27 und 28 mit L-Profil sind gemäß Fig. 3 zu Dichtgittern 29 zusammengefaßt und z.B. durch leichte Wellfedern angestellt. Alle Federn bestehen aus hochhitzefestem Material und sind im Kolben vertikal eng geführt. Die Stirndichtungen 23 und Dichtgitter 29 bilden an ihren Enden vier überlappte, auch bei Abnützung gasdichte Stöße. Optimierte, nötigenfalls beschichtete Werkstoffe sind vorgesehen. Zur weiteren Verschleißminderung laufen die Stirndichtungen 23 gemäß Fig. 4 B auf schwenkbaren Dichtstäben 30, deren Außenfläche 31 den vorzugsweise kreisbogenförmigen Zylinderwänden 26 angeglichen sind und daher stets Flächenauflage haben. Als weitere Variante zeigt Fig. 4 C eine rotierende Keramik-Dichtnadel 32. Die z.B. aus Keramik, geschmiedetem Leichtmetall oder dünnwandigem Stahlguß bestehende Kolbenplatte 33 ist z.B. unter Zwischenlage eines verschleißfesten, auswechselbaren Stahlblechs 34 durch radiale Alu-Senkschrauben 35 am Pleueldeckel 36 fixiert. Dieser Pleueldeckel 36 mit Versteifungs- und Kühlrippen 37 besteht, wie auch der im Querschnitt rechteckige, dünnwandige Pleuelschaft 38, vorzugsweise aus Magnesium-Druckguß und ist mit dem Pleuelschaft vorzugsweise durch Preßschweißung verbunden. Mittels Schmelz- oder Sandkernen usw. sind jedoch auch einteilige Hohlpleuel mit geringen Wandstärken und dehnungshemmenden Invar- oder Kohlefasereinlagen möglich. Als Kernlager dient dabei die rechteckige Öffnung 39, durch welche Ladeluft 40 zur Wärmeableitung aus Kolbenplatte 33 und Pleueldeckel 36 ein- und ausströmt. Die Randverstärkung 41 und die Naben-Abschrägungen 42 (sie leiten die Ladeluft in die beidseitigen Spülmulden 44 und Spülkanäle 45) kompensieren gewichtsmäßig die Öffnung 39. In den zum Kolbenmittelpunkt 46 konzentrischen Nuten 47/47' sind flache Gasschieber 48, nötigenfalls mit Randversteifung 49 und Zusatzführung 50/51 eingelegt. Die Schieber 48 machen die seitliche Pendelbewegung des Pleuelschafts 38 kaum mit und überdecken daher die Auslaßschlitze bis zu den Zylinderwänden 26.

Der halbzylindrische Pleueldeckel 55 ist als Gegenmasse zum Kolben und Pleueloberteil ausgebildet und bezüglich Schwungmoment derart bemessen, daß der Stoßmittelpunkt der schwingenden Teile 33 bis 55 (eventuell ohne Schieber 48) wenigstens angenähert im Mittelpunkt 2 des Pleuellagers 3 liegt. Dadurch läuft der Mittelpunkt 46 eines ungeführt gedachten Kolbens von sich aus auf einer langgestreckten Acht. Die dabei auftretenden, feinen Querschwingungen werden durch die Führungsfedern 25 des Kolbens aufgefangen. Und weil auch von den Gaskräften her wegen der Kreisbogenform des Kolbenbodens 1 mit Zentrum 2 des Pleuellagers 3 außer dessen Reibmomentes kaum nennenswerte Seitenkräfte zwischen "Schwebekolben" und Zylinder-Stirnwänden 26 auftreten, sind dessen Reibungsverluste und Ölverbrauch um ein Vielfaches kleiner als bei den althergebrachten Tauchkolben. Dies ist besonders bei Zweitaktmotoren von ganz entscheidender Bedeutung. Beim relativ kleinen Außendurchmesser des Pleueldeckels 55 (der Ladegrad des "Pleuelladers" bis Einlaßschluß beträgt hier nur ca. 1,5) ist spezifisch schwerer Werkstoff, z.B. Stahl oder Messing nötig, um das geforderte Schwungmoment zu erreichen. Eine Feinabstimmung kann durch Hohlräume 56 im Pleueldeckel 55 oder in der Kolbenplatte 33 sowie durch verschieden lange Stahlschrauben 35 erreicht und auf einem Horizontalschwinger kontrolliert werden. Die Pleuelschrauben 58 sind von oben her eingebracht; beim Motorgehäuse gemäß Fig. 7 ist bei gewissen Zylinderzahlen eine Verschraubung von unten her notwendig, um die Kurbelwelle ausbauen zu können. Zur Abdichtung des Pleuelladers sind dann z.B. gespritzte Kunststoffpfropfen 60 nötig und durch einen in der Mitte leicht geknickten Stift 61 fixierbar. Die Außenflächen 17 und 55 des Pleuelladers sind feinbearbeitet und z.B. galvanisch oder PTFE beschichtet und dichten dank minimaler Laufspiele.

Die kompakte, leichte und steife Kurbelwelle gemäß Fig. 1, 2 und 6 besteht aus den Wellenzapfen 63, konisch-zylindrischen Kurbelscheiben 64 und Kurbelzapfen 65 mit Bunden 66 (zur guten Überdeckung der Kurbelscheiben 64). Sie ist hier wälzgelagert und bedarfsgeregelt geschmiert mit Öleintritt 67, Zwischendichtung durch Tellerfeder 68, schräger Bohrung 69 und Ölaustritt am Außenrand der Bunde 66 und/oder gemäß Fig. 6. Bei Kurbelwellen-Zwischenlagern (Fig. 8) ist es möglich, die Tellerfedern 68 nur an einer Stelle zu teilen und durch Verdrehen aufzufedern, was ihre Montage im Kurbelgehäuse vereinfacht. Bei Gleitlagerung (Fig. 6) erfolgt die Ölzufuhr in ähnlicher Weise, jedoch aus Kühlgründen (rund zehnfache Reibungswärme) viel stärker, was Ölrückführung erfordert. Diese erfolgt zwischen den Radialdichtungen 70 und 71 z.B. durch Bohrungen 72 bis 74. Eine gewisse Menge Fluchtöl ist dabei unvermeidlich und zur Pleuel- und Kolbenschmierung unerläßlich. Das Rücklauföl wird, da ohne Kontakt zu den Brenngasen, wiederverwendet, was Ölwechsel erübrigt. Aus Platzgründen sind die Ausgleichs-gewichte der Kurbelwelle außerhalb des Motors angeordnet, was je nach Zylinderzahl Vor- oder Nachteile ergibt. Ihre korrekte Lage kann durch leichten Versatz einer Flanschbohrung 75 problemlos gewährleistet werden, und eine Kombination mit Schwungrad und allfälliger Riemenscheibe ist vorgesehen. Zum Ausgleich der Wackelmomente von Dreizylindern sind auf jeder Stirnseite zwei kämmende Zahnräder 77 und 78 mit Gegengewicht (statt einer außenliegenden Verbindungswelle) raumsparend angeordnet, wobei je eine Verzahnung aus geeignetem Kunststoff in Frage kommt. Ein statisches Auswuchten der vollbearbeiteten Kurbelwelle erübrigt sich.

Das Zylinderkurbelgehäuse 80 gemäß Fig. 1 und 2 umschließt den Kurbeltrieb, weist Kühlmittelräume sowie Kanäle für den Gaswechsel auf und besteht z.B. aus geeignetem, verripptem Grau- oder Leichtmetallguß. Der Lufteintritt 81 erfolgt über einen ebenen Flansch 82 für jeden Zylinder einzeln, der Auspuff 83 über einen gemeinsamen Flansch 84, der auch den Kühlmitteleinlaß 85 umfaßt. Das Gehäuse 80 ist unten durch den ebenen Flansch 86 auf Höhe der Kurbelwellenachse 5 und oben durch den gewölbten Flansch 87 begrenzt, der auf einem Kreiszylinder mit Achse 5 liegt. Die Bearbeitung des Zylinderraums kann kostengünstig durch senkrechtes Räumen erfolgen, doch sind dann separate, gewölbte Stirnwandeinsätze 88 nötig, die auswechselbar sein können. Ohne sie und darunter muß z.B. bis zum Punkt 89 bogenförmig und ab dort geradlinig, aber schräg geräumt und ein Eckstück 90 eingesetzt werden, was spezielle Einrichtungen erfordert. Als einfachste und eventuell kostengünstigste Lösung bietet sich die Funkenerosion an, die z.B. auch an den Stellen 47/47' und 50/51 möglich bzw. notwendig ist.

Den unteren Abschluß des Zylinderkurbelgehäuses 80 bildet die Kurbelwanne 91, die unter jedem Pleuel einen halbzylindrischen Hohlraum 92 aufweist, der den bewegten Pleueldeckel 55 eng umschließt und Teil ist des Zylinderraums des integrierten, volumetrischen Pleuelladers. Dessen Einsatzpunkt 93 (bei der Kolbenstellung 94) kann zur unveränderbaren Verringerung der Motorleistung (z.B. bei Stationär- oder Fahrzeug-Drosselmotoren) durch beidseitig eingegossene Mulden 95 z.B. nach 96 verschoben werden. Die Kurbelwanne 91 besteht vorzugsweise aus Leichtmetall-Druckguß und ist innen durch Tauchfräsen oder Funkenerosion bearbeitet. Ihre Befestigung erfolgt durch je einen Schraubbolzen 97 beidseitig der Kurbelwellen-Hauptlager 6. Diese starke Vereinfachung kann eine definiert unebene Form der oberen Dichtfläche erfordern, was durch Funkenerosion ermöglicht wird. Zum platzsparenden vertikalen Zwischenlagern der Motoren dienen mindestens zwei über die Bolzenköpfe 98 aufgefederte Kunststoffhülsen 99.

Schließlich sei noch der sehr einfache und kompakte Zylinder-kopf 14 gemäß Fig. 1 bs 3 erläutert. Er besteht vorzugsweise aus Leichtmetall-Druckguß und ist durch Rippen 101 versteift. Seine Befestigung erfolgt mittels Stehbolzen 102 (beim Einzylinder 6, Zweizylinder 9 usw.), seine Abdichtung gegen Gas und Kühlmittel durch elastische Rundschnüre 103. Der in bekannter Weise eingegossene Kühlmittelstutzen 104 überragt die Motorhöhe nicht (Verpackung). Die Brennkammer 13 ist durch einen im Grundriß z.B. rechteckigen, eingewölbten Sekundär-Brennraum 106 ergänzt, der beim Umschaltpunkt 10 (hier z.B. bei 2° Kurbelwinkel nach OT 9) an die Innenwand 4 anschließt. Damit kann folgender Verbrennungs- und Arbeitsablauf erreicht werden:

Durch elektronisch gesteuerte, rechtzeitige Voreinspritzung/ Vorzündung und fettes Luft-Benzin-Gemisch beginnt gemäß Fig.3 der Druckanstieg in der hier als Wirbelkammer ausgebildeten Brennkammer 13 bei 15° Kurbelwinkel vor OT 9. Dank der auf Seite 2 erwähnten Rußdichtung zwischen Kolbenoden 1 und Zylinderkopf-Innenwand 4 wirkt dieser Gasdruck nur auf den Kolbenstreifen zwischen Umkehrpunkt 7 und Dichtpunkt 8 und ergibt dadurch bereits ein kleines Drehmoment auf die Kurbelwelle (und eine kleine, duch die Führungsfedern 25 aufzunehmende Querkraft). Beim Weiterdrehen der Kurbelwelle wandert (rollt) die schmale Dichtstelle 108 zwischen Kolbenboden 1 und Kopfwand 4 nach links, wodurch sich die unter steigendem Verbrennungsdruck stehende Kolbenfläche und damit die Gaskraft stark vergrößert und außerdem deren Hebelarm zur Kurbelwelle markant zunimmt. Das Antriebsmoment steigt somit progressiv an. Andererseits verkleinert sich die Komplementärseite der Kolbenfläche, doch steigt über ihr der Kompressionsdruck an. Die unter gewissen Vorgaben optimale Lage des Umschaltpunktes 10 muß somit durch thermodynamische Prozessrechnung ermittelt werden, was noch nicht geschehen ist. Auch ist noch offen, ob die bei laufendem Motor sich fortwährend bildende und durch die feinen Kolbenschwingungen im Bereich des oberen Totpunktes regelnde Ruß- oder Ölkohleschicht problem- und geräuschlos funktionieren wird. Als Variante ist daher in Fig. 3 eine z.B. aus hitzefestem Gewebe bestehende Zylinderkopfdichtung 110 vorgesehen, deren linke Hälfte im Bereich der Kolbenböden 1 ausgestanzt ist.

Als weitere Möglichkeit zeigt Fig. 7 eine auf der Unterseite des Zylinderkopfs 121 auswechselbar verschraubte Dichtzunge 112. Falls es gelingt, z.B. durch Federkraft diese Zunge in die Ruhelage 112' zu bringen, so verschiebt sich der Dichtpunkt 8 nach rechts zu 7. Dann erfolgt bereits bei 16,5° Kurbelwinkel vor OT 9 ein Antriebsmoment auf die Kurbelwelle (anstelle eines Bremsmomentes bei konventionellen Pendelkolben oder Tauchkolben). Unter gleichen Bedingungen ergibt die erfindungsgemäße "Totpunkt-Vorver-Schiebung" weicheren Motorlauf ohne Zurückschlagen, geringere Gasdrücke und Klopfgefahr, weniger Geräusch, Reibung und Verschleiß, Verbrauch und Schadstoffe sowie kleinere Schwungräder und Anlasser und allgemein noch leichtere, kompaktere und kostengünstigere Motoren (die sich leicht starten lassen).

Die Figuren 7 und 8 zeigen das Gehäuse eines möglichen (Ein- oder) Mehrzylinder-Serienmotors im Aufriß und teilweisen Seitenriß. Dieses Gehäuse 120 paßt zum Kurbeltrieb gemäß Fig. 1 bis 6 und ist zwecks größtmöglicher Vereinfachung und Versteifung als totaler Monoblock mit integriertem Zylinderkopf 121 und Auspuff-Sammelrohr 122 ausgebildet. Es kann aus Leicht-metallguß oder Dünnwand-Grau- oder -Stahlguß bestehen und ist, vorzugsweise am plangefrästen Flansch 123 hängend, durch Funkenerosion grob- und feinbearbeitet. Diese Bearbeitung kann sogar die Oberfläche der Spülkanäle 45 und die genaue Form und Kantenrundung der Gaswechselschlitze 124/125 umfassen. Die gerundeten Ecken der Zylinder erfordern entsprechend gerundete Ecken 126 der Stirndichtungen 23 (Fig. 5), was auch für geräumte oder gefräste Zylinder gilt. Zur Befestigung weist das Motorgehäuse 120 eine Anzahl Gewindeaugen 129 auf.

Die Brennkammer 13 entspricht derjenigen von Fig. 1 bis 3. Durch gezielte/berechnete Wahl ihres Volumens unter Einbezug des "Luftraums" 106, des Verdichtungsverhältnisses bei Kolbenstellung gemäß Fig. 3, des Ladegrades des Pleuelladers usw. und nötigenfalls mittels Luftdrosselung und Starthilfsanlagen ist Gas-, Benzin-, Diesel- oder Vielstoffbetrieb möglich und interessant.

Die Kurbelwanne 130 hat links eine einfache Luftdurchsatz-Regulierung. Diese besteht aus einem sichelförmigen Hohlraum 131 (Bearbeitung durch Funkenerosion) mit der Breite 132 des Zylinder- und Kurbelraums, einer gleich breiten Federzunge 133 mit Nieten 134 (oder einem angelenkten Kreissektor-Blech) und einer durchlaufenden Verstellwelle 135 mit Negativnocken 136. Der Verstellhebel 137 bewirkt in der Lage 137' ein Entspannen der Federzunge in die Lage 133', was ein teilweises Rückströmen der Ladeluft bewirkt. Bei umlaufender Welle 135 (ohne Hebel 137) sind durch rundum entsprechend angeordnete Nokken einzelne Federungen 133 ansteuerbar (Zylinderabschaltung). Die Variante gemäß Fig. 7 und 8 rechts ist ebenso kompakt, aber aufwendiger und bedeutend wirksamer. Hier sind die Seitenwände 138 der Kurbelwanne durch Funkenerosion derart konisch zurückgesetzt (Fig. 7A zeigt eine Ekke im Horizontalschnitt 139), daß beidseitig ein etwa halbmondförmiges Blechteil 140 als bewegliche Seitenwand eingelegt werden kann. Die radiale und in Normallage (parallele Wände) axiale Führung erfolgt durch Nuten 141 und nach oben links durch die Flanschfläche 123 (oder einen Anschlag direkt beim Einsatzpunkt 142 des Pleuelladers), nach rechts durch das halbzylindrische Schwenkgelenk 144 gemäß Fig. 7 A. Das beidseitige Öffnen der beweglichen Seitenwände 140 um z.B. 3° erfolgt durch eine Welle ähnlich 135 mit wechselweise Links- und Rechtsgewinde bzw. Nocken, in die entsprechende Gegengewinde oder Ansätze der Wände 140 eingreifen. Dadurch wird der Unterteil der Pleuel seitlich umströmt, was bei Teillast die Aufladung (und deren Leistungsbedarf) reduziert. Hervorzuheben ist noch der einzigartige Gaswechsel dieses Motors in Form eines "S": Die Luftzufuhr 40 geschieht in optimaler Weise durch den integrierten Pleuellader bis zum Einlaß-Schluß 146, wo die linke Pleuelseite den Rückströmkanal 147 öffnet. Die Spülung erfolgt im Gleichstrom und mit asymmetrischem Steuerdiagramm (der Auslaß öffnet und schließt zuerst, eine Voraussetzung für wirkliche Aufladung). Der schmale Kolben ergibt eine minimale Grenzfläche zwischen Ein- und Auslaß-Strömung (nur 55% eines flächengleichen Rundzylinders) und dadurch weniger Vermischung und Wärmeaustausch der Gasströme. Weil die Auslaßgase unter Pleuelladerdruck stehen, kann auf abgestimmte, lange Einzelrohre zugunsten eines integrierten Sammelrohrs 122 mit möglichst beidseitig konischzylindrischen Enden 148/149 verzichtet werden. Dadurch wird das nur zweiteilige, durch Zuganker 97 (beim Einzylinder vier, Zweizylinder sechs usw.) verschraubte Motorgehäuse sehr einfach und universell verwendbar.

Zusätzliche Varianten: Anstelle der beidseitigen, langen Spülkanäle 45/147 treten kurze Spülmulden 150, denen die Ladeluft durch einen Querkanal im Pleuelschaft 38 (Fig. 1) zugeführt wird, dessen untere Querwand im oberen Kolbentotpunkt 9 etwa gemäß einer Linie 151 verläuft und in zwei seitlichen Pleuelfenstern endet. Dies ergibt eine Zusatzkühlung der Auslaßseite des Kolbenbodens 36 und ermöglicht außerdem, auf den Kurbelscheiben 64 (Fig. 2) innere Gegengewichte 152 zur Entlastung der Hauptlager 154 anzuordnen (Fig. 8). Diese Gegengewichte sind höchstens halbkreisförmig und mit den Kurbelscheiben z.B. durch Preßschweißung verbunden. Sie bestehen z.B. aus Gegengewichts-Schwerstmetall (Dichte rund 18 g/cm³) und sind durch komplementäre, beim Pleuellader nötige Füllkörper 155 ergänzt; diese können z.B. aus Magnesium oder Kunststoff bestehen und durch Kleben und/oder Nieten befestigt sein. Als weitere Variante ist beim Ellipsoid-Brennraum 156 von Fig. 7 die Einspritzdüse 157 bzw. Einblasdüse bei Gasbetrieb in Richtung Zylinder angeordnet, was auch für den Brennraum 13 von Fig, 1 gilt.

Fig. 9 zeigt einen zu Fig. 7 (und 1) passenden Zylinderkopf 160 mit von OEC bekanntem Magerkonzept-Brennraum 161 (dessen Lage mehr links sein könnte), der bekanntlich beste Verbrauchs- und Schadstoffwerte erreicht hat. Neu sind hier die auf einem Kreisszylinder 162 mit Zentrum Kurbelwelle liegenden, beidseitigen Quetschflächen 163 und 164, die in strömungsmäßig optimaler Weise zeitverschoben wirken. Bei diesem problemlosen, bewährten Zylinderkopf von OEC erfolgt allerdings vor dem oberen Totpunkt das übliche Abbremsen des Kolbens durch Kompressions- und Brenngas, doch dient er nur zu vergleichenden Versuchen und als Übergangs lösung bis zur Serienreife der Zylinderköpfe gemäß Fig. 1, 2, und 8.

Als Anwendungsbeispiel zeigt Fig. 10 einen "Schwebekolben-Pleuellader-Schiebermotor" (SPS) gemäß Fig. 7 und 9 mit 300 cm³ Hubraum und 22 kW/30 PS pro Zylinder quer und nach vorne geneigt im Bug eines Kleinautos (Länge 250 bis 330 cm, Breite 140 cm) gemäß Fig. 1 und 1 A von WO 92/20563 (Salzmann). Dieser Vier- bis Sechssitzer (gestaffelt) hat bis zum Fersenpunkt 165 eine vordere Knautschlänge von erstaunlichen 77 cm. Dies ist nur möglich, weil der ultrakompakte Motor 166 mit "1 bis 3 = 2 bis 6" Zylindern unter den Wagenboden ausweichen kann, und zwar mitsamt seinem Schalt- und Achsgetriebe und Lambda 1-Katalysator 167 (mit Startkatalysator 168, Fig. 7). Für kleine Wartungsarbeiten (Zündkerzen, Batterie usw.) gibt der aufgeklappte Frontgrill 169 und besonders 170 guten und schnellen Zugang. Der Motorkühler 171 kann als Heizung dienen und ein- oder beidseitig eines 160 l fassenden Frontgepäckraums 172 angeordnet sein. Das kombinierte Brems- und Gaspedal 173 mit seitlich z.B. gegen leichte Federkraft beweglicher Pedalplatte 174 spart Platz, wirkt blitzschnell und ist sehr sicher; es verhindert in Schreckmomenten (man streckt sich!) ungewolltes Gasgeben. Der an Elastikblöcken 175 (die auch als Sollbruchstellen dienen) aufgehängte Motor 166 mit Mehrscheibenkupplung und z.B. Dreigang-Planetengetriebe mit einheitlichem Stufensprung im Quadrat wirkt vorzugsweise auf ein doppeltes Achsgetriebe 176 mit demselben Stufensprung. Die auf dem Differentialgehäuse lose laufenden zwei Zahnkränze mit dazwischenhängendem Kupplungsring werden, wie auch das Planetengetriebe, automatisch geschaltet. Ein solches "3=6V+2R"-Getriebe höchsten Wirkungsgrades mit Stufensprung von z.B. 1,3 bis 1,33 (Spreizung 3,71 bis 4,16) macht es möglich, auch innerorts, rückwärts und bergauf sehr sparsam und leise zu fahren.

Der Motor 166 eignet sich ohne weiteres auch zum Längseinbau (Kurbelwelle in Fahrzeug-Längsachse) mit z.B. darüber angeordneter, wenigstens teilweise aufklappbarer Front-Gepäckablage. Ein ähnliches Konzept ist vorgesehen bei Motorlastwagen, Bussen, Cars, usw. deren Kupplungsautomatik bezw. Drehmomentwandler ebenfalls ein "Monopedal" ermöglicht, das hier jedoch stehend, d.h. am Boden angelenkt ist. Schwenken des Fußes nach rechts bewirkt Gasgeben, nach links Motorbremse und/oder Retarder, alles vorzugsweise elektronisch gesteuert. Beide Hände bleiben dabei am Lenkrad. Schliesslich erlaubt bei Motorrädern der äusserst kompakte, liegende Motor 166 einen darüber in optimaler Schwerpunktlage angeordneten Gepäckraum.

Beim SPS-Motor 166 gemäss Fig. 1 und 2 kann (getaktete) Turboladung bewirken, dass zeitweise der Pleuellader über 200° Kurbelwinkel als Druckluftmotor arbeitet, wobei die Pleuelfläche 140 bis 180% der Pendelkolbenfläche beträgt.

Viertaktmotoren sind durch im Zylinderkopf angeordnete Drehschieber möglich. Grössere Bauhöhe, Baukosten und Reibungsverluste sowie geringere Leistungsdichte und schlechter Rundlauf (pro Zylinder folgen auf jeden Arbeitshub drei Leerhübe) bedeuten jedoch in Zukunft unakzeptable Nachteile.

Zum relevanten Stand der Technik gemäss US-A-3695150 (Salzmann) darf bemerkt werden, dass dort eine relativ hochgewölbte Zylinderkopf-Innenwand (das Zentrum ihres Kreissektors liegt oberhalb der Kurbelwellenachse) einen damals üblichen, voluminösen Brennraum umschliesst. Dagegen sind die Brennräume gemäss Patentansprüchen 1 bis 3 sehr kompakt gestaltet und ermöglichen, zusammen mit weiteren Massnahmen, die heute angestrebten Magermotor-Konzepte mit hohen Luftzahlen und geringsten Brennstoffverbräuchen.

Wie schon früher in Anmeldungen von Salzmann dargelegt, wird die Druckluft der direkten Brennstoffeinspritzung für jeden Zylinder einzeln durch den zugehörigen Pleuellader und pneumatischen Druckverstärker erzeugt. Dies erspart auf einfachste Weise den bei OEC notwendigen Druckluftkompressor mit Riementrieb, Luftfilter und Druckluftleitungen und ermöglicht unverzügliches Anlassen des Motors 166 (notfalls sogar mit einem Seilzugstarter) In analoger Weise kann die Luft zur Oelnebel-Schmierung der Kurbelwellen-Wälzlager dem Pleuellader entnommen werden.

Interessant ist auch ein Pendelkolbenkompressor nach Ansprüchen 8 und 9 wegen seines hohen volumetrischen Wirkungsgrades (besonders bei zweistufiger Bauweise mit Pleuellader) und seines einfachen Aufbaus ohne Schieber 48. Nicht gezeichnete, breite Überströmschlitze sind durch Stege unterteilt zur Führung der Dichtgitter 29 (Fig. 3). Die relativ niedrigen Arbeitsdrücke ermöglichen längere Kurbelwellen und breitere Kolben als gemäß Fig. 1 und 2. Der Kolbenboden wälzt sich dichtend auf einer durchgehenden Dichtung 112 (Fig. 7) ab, die einen separaten Zylinderkopf (Fig. 1) umfassen kann. Öffnungen 180 im Bereich des nachlaufenden seitlichen Kolbenumkehrpunktes 11 (Fig.3) ergeben einen strömungsmäßig günstigen, durch Ventilzungen 181 in üblicher Weise gesteuerten Auslaß des Mediums mit geringstem Totvolumen. Dies erhöht z.B. bei Kühlkompressoren oder Wärmepumpen den Wirkungsgrad. Kleinkompressoren für Kühlschränke sind auch mit kreisrunden Pendelkolben und ohne Pleuellader möglich.

Claims (9)

1. Pendelkolbenmotor mit einer Kurbelwelle und wenigstens einer daran angelenkten Pleuelstange mit gelenklosem Pendelkolben, dessen Boden auf einem Kreiszylinder mit Zentrum Pleuellager liegt und in einem Zylinderkurbelgehäuse mit separatem oder integriertem Zylinderkopf läuft, gekennzeichnet durch einen Zylinderkopf (14) mit wenigstens sektoriell kreiszylinderförmiger Innenfläche (4) mit Zentrum Kurbelwellenlager (6), unter der sich der Kolbenboden (1) im Bereich des oberen Totpunktes (9) mit möglichst kleinem Spiel bewegt.
2. Pendelkolbenmotor nach Anspruch 1 mit einem etwa in der Mitte des Zylinderkopfs angeordneten Brennraum, gekennzeichnet durch beidseitig des Brennraums angeordnete, durch die Zylinderkopf-Innenfläche gebildete Quetschflächen (163,164), die vom Pendelkolben zeitversetzt aktiviert werden.
3. Pendelkolbenmotor nach Anspruch 1 mit einer auf der vorlaufenden Seite des Pendelkolbens im Zylinderkopf angeordneten Brennkammer (13) mit Verbindungskanal (16) zum Zylinder, gekennzeichnet durch einen wenigstens angenähert gasdichten Spalt zwischen Zylinderkopf-Innenfläche und Kolbenboden bis wenigstens angenähert in den Bereich des oberen Totpunktes.
4. Pendelkolbenmotor nach Anspruch 3, gekennzeichent durch eine rechtzeitige Gemischbildung und Entflammung in der Brennkammer, damit möglichst früh vor dem oberen Totpunkt ein Antriebsmoment auf die Kurbelwelle entsteht.
5. Pendelkolbenmotor nach Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der gasdichte Spalt durch Rußablagerung und/oder Ölkohle gebildet wird und sich fortlaufend von selbst regeneriert.
6. Pendelkolbenmotor nach Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß der gasdichte Spalt durch eine im Bereich der Zylinderkopf-Innenfläche angeordnete Dichtung (110) aus passendem Material gebildet wird.
7. Pendelkolbenmotor nach Ansprüchen 1 bis 6 als Zweitaktmotor mit langem, in Richtung Kurbelwelle vorzugsweise schmalem Rechteck-Pendelkolben, der die seitlichen Gaswechselschlitze in optimaler Weise asymmetrisch steuert.
8. Pendelkolbenkompressor mit einer Kurbelwelle und wenigstens einer daran angelenkten Pleuelstange mit rechteckigem, gelenklosem Pendelkolben, dessen Boden auf einem Kreiszylinder mit Zentrum Pleuellager liegt und in einem Zylinderkurbelgehäuse läuft, gekennzeichnet durch einen separaten oder integrierten Zylinderkopf mit kreiszylinderförmiger Innenfläche mit Zentrum Kurbelwellenlager, unter der sich der Kolbenboden mit wenigstens angenähert gasdichtem Spalt abwälzt, und der Gasaustritt durch Öffnungen (180) erfolgt.
9. Pendelkolbenmotor und Pendelkolbenkompressor nach Ansprüchen 6 und 8, gekennzeichnet durch eine den Zylinderkopfflansch umfassende Kolbenbodendichtung.

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